Buch 2002 - Ausdruck gekürzt - Keramverband · 2017-03-28 · Durch schlanke BHM-Profile kann die...
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Hochtemperaturtechnik
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3.2 SIC in der Industrie
• André HiemannSchunk Ingenieurkeramik GmbHWillich - Münchheide
Die Folien finden Sie ab Seite 231.
Technische Keramik bei Temperaturen > 1.200°C
- Energie-Spar-Potential -
Viele Erzeugnisse des täglichen Bedarfs wie z.B. Porzellanteller und -tassen oder Sanitärkeramik in unterschiedlicher Form, Farbe undAnwendung sind vielen Menschen in weiten Teilen der Erde vertraut.Sie sind aus dem täglichen Gebrauch nicht mehr wegzudenken (Bild 1).
Bild 1: Porzellanservice
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Die einzelnen Herstellungsschritte derartiger Artikel sind im Grundprin-zip seit vielen Jahrzehnten gleich. Entsprechend des technischen Fort-schritts wurden und werden die Herstellungstechnologien im Laufe derZeit immer weiter verfeinert und rationalisiert.
Eines bleibt jedoch erhalten.Als keramische Erzeugnisse müssen alle diese Artikel im Laufe desFertigungsprozesses mindestens einen Hochtemperaturbrand zwischen1.200°C – 1.400°C durchlaufen.Während dieses Hochtemperaturbrandes werden die eigentlichenMaterialeigenschaften geschaffen. Die dazu benötigten Öfen habensich im Laufe der Zeit sehr stark verändert.
Im Folgenden soll am Beispiel der Porzellanindustrie auf Weiterent-wicklungen in der Brenntechnologie eingegangen werden, die zu er-heblichen Energieeinsparungen geführt haben. Diese Energieein-sparungen sind sowohl auf verbesserte Isoliermaterialien in den Ofen-anlagen selbst und auf modernste Brennertechnik incl. Steuerung (mitErdgas beheizte Brenner aus technische Keramik) als auch in nichtunerheblichem Maße auf die Weiterentwicklung der technischenKeramik als Brennhilfsmittel (BHM) zurückzuführen.
Bei der Großserienproduktion von Porzellanartikeln werden vorrangigTunnelöfen verwendet. Dabei handelt es sich um 60 - 100m langeÖfen, durch die kontinuierlich die Wagen mit dem darauf befindlichenBrenngut geschoben werden.
Der in Bild 2 dargestellte Tunnelofen entspricht ungefähr dem Standder Technik des Jahres 1980.
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Bild 2: Tunnelofen, herkömmliche Ausführung
Die zu brennenden Waren, z.B. Teller, stehen dabei in sogenanntenBrennkapseln (Bild 3). Diese BHM dienen der Stapelfähigkeit der Artikelund schützen gleichzeitig vor Verunreinigungen durch die Ofenatmo-sphäre.Diese Variante des tongebundenen SiC dient in diesen Ofenanlagen alsMaterial für die BHM. Die Wandstärke liegt bedingt durch eine geringemechanische Festigkeit des tongebundenen SiC bei etwa 20-25mm.
Um die darin befindliche Ware auf 1.400°C zu erhitzen muss diegesamte „tote“ Masse der BHM bei jedem Durchlauf mit aufgeheizt undwieder abgekühlt werden. Die Masse der BHM ist dabei um ein viel-faches höher als die Masse an zu brennender Ware.
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Bild 3: Brennhilfsmittel aus tongebundenem SiC für Teller
Aufgrund der Dickwandigkeit und in Hinblick auf eine möglichst langeLebensdauer dieser BHM ist die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeitbei der Ofendurchfahrt begrenzt.
Die Durchlaufzeit bei diesen Öfen ist dadurch sehr lang und beträgt zwi-schen 20 h und 30 h. Schnellere Ofenfahrten würden zum vorzeitigenBruch der BHM aufgrund ihrer relativ schlechtenTemperaturwechselbeständigkeit führen.
Bedingt durch die Dickwandigkeit der BHM ist der spezifische Energie-bedarf pro kg Ware (z.B. Teller) mit ca. 33,5 MJ/kg Ware entsprechendsehr hoch.Nimmt man zum Vergleich den spezifischen Energiebedarf modernerOfenanlagen, so sind dort gerade noch 12,5 MJ/kg Brenngut notwendig(Bild 4).
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spezifischer Energiebedarf (MJ / kg Brenngut)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
33,5
12,512,5
herkömmlicher Tunnelofen moderner Schnellbrandofen
Bild 4: Spezifischer Energiebedarf pro kg Brenngut
Leider muss gesagt werden, dass diese energieintensiven Öfen auf-grund ihrer langen Lebensdauer und entsprechender Investitionskostenin neue Ofen auch heute z.T. noch im Einsatz sind!
Höhere Energiepreise sowie gestiegene Anforderungen an denUmweltschutz und damit höhere Fertigungskosten haben dazu geführt,dass in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen unternommenwurden, um den spezifischen Energieverbrauch der Öfen zu mini-mieren. Neue Leichtbaumaterialien in der Ofen- und Wagenisolierungund verbesserte Ausnutzung der Energie im Erdgas selbst tragen dankder geleisteten Entwicklungsarbeit der Ofenbaufirmen zur Energie-einsparung bei.Natürlich hat auch die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der tech-nischen Keramik entscheidend dazu beigetragen, dass Energie inerheblichem Umfang eingespart werden kann.Durch die Entwicklung von BHM-Materialien mit hoher Biegebruch-festigkeit (Bild 5) ist es möglich die Wandstärken der BHM erheblich zureduzieren. Durch geringere Wandstärken der BHM wird weniger „tote“Masse aufgeheizt und abgekühlt und damit Energie eingespart.
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0255075
100125150175200
225250275300
1 2 3 4 5 6 7 8
Temperatur (°C)
Bie
ge
bru
ch
fes
tig
kei
t (M
Pa
)
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
nitridgebundenes SiC (NSiC)
rekristallisiertes SiC (RSiC)
tongebundenes SiC
Bild 5: Festigkeitsvergleich von BHM-Materialien für T > 1.400°C
Die Gesamtheit der Neu- und Weiterentwicklungen in der Ofentechno-logie haben dazu geführt, dass nicht nur Energie eingespart, sondern die Durchlaufzeit der Ware von mehr als 20 h auf 5-8 h drastisch redu-ziert werden kann.
Man spricht jetzt von sogenannten Schnellbrandöfen.
Die Öfen der neuen Generation zeichnen sich dadurch aus, daß das Verhältnis kg Brenngut / kg BHM auf unter 1 / 2 gesunken ist. Bei her-kömmlichen Tunnelöfen ist das Verhältnis ca. 1 / 8. Eine Gegenüber-stellung der dafür verantwortlichen Eigenschaften der BHM-Materialien soll das verdeutlichen (Bild 6).
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tongebundenesSiC
RSiC NSiC
spez. Masse (g/cm3) 2,6 2,6 2,8
Biegebruchfestigkeit (MPa) 15 90 190
Wandstärke (mm) 20 7 6
durchschn. Gesamtmasse (g) 4000 1670 1390
Lebensdauer (Zyklen) 150 1000 2000
Ebenheit über die Lebensdauer -- + ++
Temperaturwechselbeständigkt. -- ++ ++
Bild 6: Gegenüberstellung von BHM Materialien für Temperaturenüber 1.400°C
Mit den neuen BHM-Materialien hat sich auch der gesamte Wagen-aufbau (Bild 7) verändert. Das Brenngut steht nun nicht mehr gekapseltübereinander sondern frei auf Brennplatten, die durch Abstandshalterindividuell positionierbar sind.Die Wärme wird nun direkt an das Brenngut herangeführt.
Gleichzeitig führt ein derartiger Aufbau dazu, dass die gesamteFertigungslinie automatisiert werden kann. In modernsten Anlagen, wiein Bild 7 dargestellt, wird die Ware eines kompletten Wagens voll-automatisch innerhalb weniger Sekunden gewechselt.
Bild 7: Schnellbrandofen, neue Generation
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Die Anstrengungen der Keramikhersteller waren in den letzten Jahrendarauf gerichtet die Wandstärke dieser Platten (Bild 8) immer weiter zuminimieren. Man stößt dabei z.Zt. an Fertigungsgrenzen, da währendder Herstellung mit dünner werdender Wandstärke die Stabilität derPlatten abnimmt und das Handlingproblem zunimmt.
Das Erzielen einer optimalen Ebenheit als oberstem Qualitätskriteriumist problematisch. Da sich das Brenngut beim Brennen seiner Unterlage(dem BHM) anpasst, wird automatisch jede Unebenheit der BHM aufdie Ware übertragen.Das Ergebnis von Unebenheiten an BHM sind z.B. „kippelnde“ Teller.
Bild 8: Brennplatte aus NSIC
Energieeinsparung am konkreten Beispiel
Im Folgenden soll nicht auf die enormen Energieeinsparungen einge-gangen werden, die durch die Substitution der 25 mm starken BHMdurch moderne BHM möglich sind, sondern darauf, in welcher Größe-nordung weitere Energieeinsparungen realisiert werden, wenn dieWandstärke der modernen BHM um nur 1mm reduziert werden kann
Die übliche Wandstärke für ein BHM wie in Bild 8 lag im Jahr 1998 bei7mm. Eine solche Platte hatte eine Masse von durchschnittlich 1.670g.
Seit 2000 ist es möglich diese Platte unter Beibehaltung aller Qualitäts-kriterien mit einer Wandstärke von 6mm herzustellen. Die Masse dieser
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Platte beträgt nun im Durchschnitt 1.390g. Das entspricht einer Masse-reduzierung von 280 g/Platte
Der in Bild 7 dargestellte Schnellbrandofen hat eine Kapazität von rund50 000 Tellern / Tag.Das heißt, täglich fahren 50 000 Teller auf 50 000 Brennplatten durchden Ofen.Durch die Wandstärkereduzierung von 1mm der Einzelplatte verringertsich die Gesamtmasse an BHM um ca.
14 Tonnen / Tag !!!
Legt man die spezifische Wärmekapazität der BHM mit 1,1 kJ/kgK unddie Brenntemperatur von 1.400°C zugrunde, so ergibt sich ein Delta fürden spezifischen Energiebedarf der 14 Tonnen eingesparten BHM von21 552 MJ / Tag.
Umgerechnet ergibt das ca. 6000 kWh / Tag.
Somit ermöglichen 280 g Massereduzierung pro BHM eine Einsparungan Erdgas (Heizwert des Erdgas gerundet auf 10 kWh/m3) von rund
600 m3 / Tag !!!
Das entspricht einer täglichen Menge an Erdgas, mit dem ein gut iso-liertes Einfamilienhaus mit etwa 140 m2 Wohnfläche etwa 4 Monatelang mit Heizung und Warmwasser versorgt werden kann!
Die Porzellanindustrie ist nur ein Industriezweig in dem durch dünn-wandige und damit „leichte“ keramische Brennhilfsmittel Energie einge-spart werden kann. Ebenso sind die Bereiche der Isolatorenherstellungund die Sanitärkeramikherstellung zu nennen, in denen moderne BHMnicht mehr wegzudenken sind. Dort steht jedoch nicht die Energie-einsparung im Vordergrund sondern die Raumausnutzung im Ofen.Durch schlanke BHM-Profile kann die Besatzdichte im Ofen gesteigertwerden.
Beim Isolatorenbrand hängen mehrere Isolatoren nebeneinander ankeramischen Balken. Vor dem Brand stehen diese auf dem Wagen-boden auf. Durch die Verringerung des Volumens der Isolatoren beimBrennen bei über 1.200°C hängen sie schließlich frei an den BHM.Dadurch wird eine optimale Geradheit der Isolatoren realisiert.
Diese Isolatoren können bei über 2 m Länge beachtliche Massen von200 - 400 kg / Isolator erreichen.
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Diese Last muss von den BHM sicher aufgenommen werden. EinDurchbrechen der BHM hätte einen Wageneinsturz mit beträchtlichemSchaden zur Folge. Es versteht sich von selbst, dass dort keramischeBHM notwendig sind, die höchste mechanische Biegebruchfestigkeitbei Brenntemperatur aufweisen.
Ebenso spielen mechanisch hochbelastbare und möglichst raum-sparende BHM in der Sanitärkeramik (Bild 9) eine große Rolle.Sie machen es möglich, dass die Sanitärkeramik in mehreren Etagen /Wagen durch den Ofen gefahren werden kann.
Bild 9: BHM aus SISIC zum Brennen von Sanitärkeramik
Für diese beiden Einsatzfälle (Isolatoren und Sanitär) liegt die Tempe-ratur jeweils unterhalb von 1.380°C. Bis zu dieser Temperatur hat sichSISIC aufgrund seiner sehr hohen mechanischen Belastbarkeit hervor-ragend bewährt. Die Biegebruchfestigkeit liegt bei ca. 300 MPa unddamit noch einmal rund 100 MPa höher als beim NSIC in der Porzellan-industrie.Leider kann man dieses Material SISIC nicht bei Temperaturen über1.380°C einsetzen, da dann das Silizium im Materialgefüge flüssig wird
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und sich der Materailverbund ändert.Bei Einsatztemperaturen oberhalb dieser Temperatur fällt die Festigkeitrapide ab, und es kommt darüber hinaus durch das Ausschmelzen desSiliziums zu Verunreinigungen in der Ofenatmosphäre.
Zusammenfassung:
Im Vergleich zu herkömmlichen Tunnelöfen mit einem spezifischenEnergieverbrauch von 33,5 MJ / kg Brenngut werden bei modernenAnlagen gerade noch 12,5 MJ / kg Brenngut benötigt.
Neben der Weiterentwicklung der Öfen auf dem Gebiet der Isolierungund der besseren Ausnutzung des Primärenergieträgers Erdgas kommtder Weiterentwicklung der benötigten Brennhilfsmittel (BHM) aufgrundihrer großen Masse eine Schlüsselrolle für die Einsparung an Energiezu.
Diese BHM sind notwendig, um dem Brenngut auf dem Weg durch denBrennprozess als Unterlage zu dienen und es stapelfähig zu machen.
Moderne technische Keramik macht es neben einer beträchtlichen Stei-gerung der Lebensdauer möglich, die Wandstärken dieser BHM auf einMinimum zu reduzieren und damit Energie und kostbaren Brennraumeinzusparen.
Am Beispiel der Porzellanindustrie wird gezeigt, welche Auswirkungendie Verringerung der Wandstärken von Brennhilfsmitteln um 1mm aufden Energieverbrauch haben.
Literaturhinweis und Bildverzeichnis
• Technologie der Feinkeramik, Deutscher Verlag fürGrundstofftechnik Leipzig, 6.Auflage 1979
• Keramische Zeitschrift 8 / 2001, Verlag Schmid GmbH Frei-burg
• Rosenthal AG• Porzellanfabrik Bauscher Weiden• JiPo Znojmo
Die verwendeten Vortragsfolien (Nr. 1 bis 16) finden sich auf denfolgenden Seiten.
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Folie 2
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Folie 3
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Folie 4
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Folie 5
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Folie 6
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Folie 7
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Folie 8
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Folie 9
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Folie 10
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Folie 11
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Folie 13